CN110112865A - 可调摆动频率的绕流装置及方法 - Google Patents

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高斯杰
韩东
郑明瑞
王瑾程
刘允
李亚宁
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts

Abstract

一种可调摆动频率的绕流装置及方法，属于流体力学领域。其特征在于：包括绕流部件、摆动频率调节模块（上部永磁铁，下部与上部极性相异的永磁铁和极性相同的电磁铁结构及反馈电路或柔性密封套和有气泵、气阀组成的控压组件）、固定底座。本发明提供一种绕流运动中使绕流体摆动频率与尾迹脱涡频率达到共振的方法，绕流部件在尾迹涡旋脱落的影响下随着半柔性支撑件左右摆动，反馈电路检测来流速度与绕流部件的摆动频率，通过反馈电路调节绕流部件的摆动频率至来流速度下的共振区内，使绕流部件的摆动频率与尾迹流场的脱涡频率达到共振。该结构优点在于可控性强，且无需润滑保养，寿命长。

Description

可调摆动频率的绕流装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可调摆动频率的绕流装置及方法，属于流体力学领域。
背景技术
水能作为一种较为丰富的可再生的清洁能源，一直以来都是发电的重要能源之一。水力发电的主要方式是将水的势能转变为水轮机的旋转从而带动发电机组转动，达到发电的目的，但这种方式对于小型水电站而言，发电成本较高。目前新兴一种以涡激振动为原理的水力发电方式能很好的解决这一问题，但其需要摆动件与尾流的涡旋达到共振。为此，提出一种摆动频率可调的绕流结构及方法。
发明内容
本发明涉及一种可调摆动频率的绕流装置及方法,其优点在于可控性强，且无需润滑保养，寿命长。
所述一种可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：该结构自上而下依次包括绕流部件、摆动频率调节模块、固定底座；所述摆动频率调节模块包括半柔性支撑件和反馈电路；所述半柔性支撑件由柔性密封套和磁力弹簧组成；所述磁力弹簧包括第一永磁铁、第二永磁铁和电磁铁；第一永磁铁与绕流部件连接，第二永磁铁下部与电磁铁上部固定连接，电磁铁与固定底座连接；所述反馈电路包括检测模块和反馈模块；所述检测模块包括应变传感器和流速变送器(8)；应变传感器附于柔性密封套上，流速变送器(8)置于流域上游；所述反馈模块接入电磁铁的电路中并接收检测模块的输出信号。
所述的可调摆动频率的绕流装置的方法，其特征在于：所述柔性密封套用于固定连接所述的绕流部件和固定底座，同时其内部的装置起到密封保护作用；所述绕流部件在绕流运动中在涡旋的脱落的影响下会左右摆动，绕流部件的摆动频率可随所述半柔性支撑件的固有频率改变而改变；
所述绕流部件的摆动一种是以所述柔性密封套为主导，此时所述柔性密封套的长度改变时，所述柔性密封套的固有频率将会改变，从而影响所述绕流部件(1)的摆动频率；绕流部件的摆动还第二种以所述磁力弹簧为主导，此时所述磁力弹簧的倔强系数改变，所述绕流部件的摆动频率可以改变；
当绕流部件在绕流运动中由于涡旋的脱落发生左右摆动，所述应变传感器检测出柔性密封套的应变并通过算法输出摆动频率；所述流速变送器检测并输出来流流速；
所述反馈模块为：改变电磁铁输入电流的控制电路，通过调节电磁铁(5)的输入电流改变电磁铁的磁场强度，从而改变柔性密封套(4)的长度或所述磁力弹簧的倔强系数，达到调节摆动频率的目的；
反馈模块接受检测模块传来的信号后，调节电磁铁的输入电流，将摆动频率调整至输入流速所对应的共振区，使所述绕流部件的摆动频率与脱涡频率达到共振；系统达到共振后，检测模块持续监控来流流速和摆动频率，调动反馈模块维持摆动频率在共振区间浮动。
所述的可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：所述磁力弹簧布置方式根据结构的放置方式的不同而发生变化：当绕流部件位于固定底座上方：第二永磁铁与第一永磁铁极性相异，电磁铁与第一永磁铁极性相同；当绕流部件位于固定底座下方：第二永磁铁与第一永磁铁极性相同，电磁铁与第一永磁铁极性相异。
电磁铁的布置旨在控制与第二永磁铁相连的绕流部件，当绕流部件放置于固定底座的上方或下方时，重力方向会相对于绕流装置发生变化，此时让电磁铁与第二永磁铁产生斥力或引力，会让重力成为电磁铁调控绕流装置过程中的动力之一，从而增加绕流装置的可控性；而第一磁铁的布置是为了使电磁铁的磁场存在磁场谷，增加磁力弹簧的稳定性。
一种可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：该结构自上而下依次包括绕流部件、摆动频率调节模块、固定底座；所述摆动频率调节模块包括半柔性支撑件和反馈电路；所述半柔性支撑件包括柔性密封套；该绕流装置还包括控压组件；所述控压组件依次包括气泵、第一通气导管、电磁阀、第二通气导管组成；第二通气导管从固定底座伸入柔性密封套的空腔内，气泵以大气或充入惰性气体的气罐作为气源；所述反馈电路包括检测模块和反馈模块；所述检测模块包括应变传感器和流速变送器；应变传感器附于柔性密封套上，流速变送器放置在流域上游；所述反馈模块接收检测模块的输出信号并接入电磁阀和气泵的电路中。
所述的可调摆动频率的绕流装置的方法，其特征在于：所述绕流部件在绕流运动中在涡旋的脱落的影响下会左右摆动，绕流部件的摆动频率可随所述半柔性支撑件的固有频率改变而改变；改变柔性密封套空腔内的气压，可改变所述半柔性支撑件的固有频率，从而改变所述绕流部件的摆动频率；
当绕流部件在绕流运动中由于涡旋的脱落发生左右摆动，所述应变传感器检测出柔性密封套的应变并通过算法输出摆动频率：所述流速变送器检测并输出来流流速；
所述反馈模块可以为：控制所述电磁阀及气泵电压输入的控制电路，通过对电磁阀和气泵电路通路和断路的控制，使柔性密封套从大气或所述气罐中抽气，或向大气中排气，从而改变所述柔性密封套内腔气压，从而调节所述绕流部件(1)的摆动频率；
反馈模块接受检测模块传来的信号后，调节电磁阀及气泵的通路或断路，将摆动频率调整至输入流速所对应的共振区，使所述绕流部件(1)的摆动频率与脱涡频率达到共振；系统达到共振后，检测模块持续监控来流流速和摆动频率，调动反馈模块维持摆动频率在共振区间浮动。
当所述绕流装置内部存在防腐要求时，可将所述气泵的气源替换为充入惰性气体的气罐。
附图说明
图1是半柔性支撑件为磁力弹簧时一种可调摆动频率的绕流装置当绕流部件位于固定底座上方的示意图；
图2是半柔性支撑件为磁力弹簧时一种可调摆动频率的绕流装置当绕流部件位于固定底座下方的示意图；
图3是通气导管结构的一种可调摆动频率的绕流装置的示意图；
图4是带有气罐的通气导管结构的一种可调摆动频率的绕流装置的示意图；
图中标号名称：1绕流部件，2第一永磁铁，3柔性密封套，4第二永磁铁，5电磁铁，6固定底座，7应变传感器，8流速变送器，10气泵，11电磁阀，12-1第一通气导管，12-2第二通气导管，13气罐。
具体实施方式
下面结合图1对一种可调摆动频率的绕流装置的工作过程进行说明。
将该结构通过固定底座的固定置于管道中，当有流体经过时，绕流运动的漩涡脱落会导致绕流部件发生左右摆动。
反馈电路中检测模块检测上游来流流速及绕流部件的摆动频率，若绕流部件的摆动频率不在来流流速下的共振区内，则反馈电路中的反馈模块通过改变半柔性支撑件的固有频率调节绕流部件的摆动频率，直至与脱涡频率达到共振。
系统达到共振后，检测模块持续检测摆动频率和共振频率，调动反馈模块维持摆动频率在共振区间浮动。

Claims (5)

1.一种可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：
该结构自上而下依次包括绕流部件(1)、摆动频率调节模块、固定底座（6）；
所述摆动频率调节模块包括半柔性支撑件和反馈电路；
所述半柔性支撑件由柔性密封套(3) 和磁力弹簧组成；所述磁力弹簧包括第一永磁铁(2)、第二永磁铁(4)和电磁铁(5)；第一永磁铁(2)与绕流部件(1)连接，第二永磁铁(4)下部与电磁铁(5)上部固定连接，电磁铁(5)与固定底座(6)连接；
所述反馈电路包括检测模块和反馈模块；所述检测模块包括应变传感器(7)和流速变送器(8)；应变传感器(7)附于柔性密封套(3)上，流速变送器(8)置于流域上游；所述反馈模块接入电磁铁(5)的电路中并接收检测模块的输出信号。
2.根据权利要求1所述的可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：
所述磁力弹簧布置方式根据结构的放置方式的不同而发生变化：
当绕流部件(1)位于固定底座(6)上方：第二永磁铁(4)与第一永磁铁(2)极性相异，电磁铁(5)与第一永磁铁(2)极性相同；
当绕流部件（1）位于固定底座(6)下方：第二永磁铁(9)与第一永磁铁(2)极性相同，电磁铁(5)与第一永磁铁(2)极性相异。
3.根据权利要求1所述的可调摆动频率的绕流装置的方法，其特征在于：
所述柔性密封套(3)用于固定连接所述的绕流部件(1)和固定底座(6)，同时其内部的装置起到密封保护作用；所述绕流部件(1)在绕流运动中在涡旋的脱落的影响下会左右摆动，绕流部件(1)的摆动频率可随所述半柔性支撑件的固有频率改变而改变；
所述绕流部件(1)的摆动一种是以所述柔性密封套(3)为主导，此时所述柔性密封套(3)的长度改变时，所述柔性密封套(3)的固有频率将会改变，从而影响所述绕流部件(1)的摆动频率；绕流部件(1)的摆动第二种是以所述磁力弹簧为主导，此时所述磁力弹簧的倔强系数改变，所述绕流部件(1)的摆动频率可以改变；
当绕流部件(1)在绕流运动中由于涡旋的脱落发生左右摆动，所述应变传感器(7)检测出柔性密封套(3)的应变并通过算法输出摆动频率：所述流速变送器(8)检测并输出来流流速；
所述反馈模块为：改变电磁铁(5)输入电流的控制电路，通过调节电磁铁(5)的输入电流改变电磁铁(5)的磁场强度，从而改变柔性密封套(3)的长度或所述磁力弹簧的倔强系数，达到调节摆动频率的目的；
反馈模块接受检测模块传来的信号后，调节电磁铁(5)的输入电流，将摆动频率调整至输入流速所对应的共振区，使所述绕流部件(1)的摆动频率与脱涡频率达到共振；
系统达到共振后，检测模块持续监控来流流速和摆动频率，调动反馈模块维持摆动频率在共振区间浮动。
4.一种可调摆动频率的绕流装置，其特征在于：
该结构自上而下依次包括绕流部件(1)、摆动频率调节模块、固定底座(6)；
所述摆动频率调节模块包括半柔性支撑件和反馈电路；
所述半柔性支撑件包括柔性密封套(3)；
该绕流装置还包括控压组件；所述控压组件依次包括气泵(10)、第一通气导管(12-1)、电磁阀(11)、第二通气导管（12-2）组成；第二通气导管(12-2)从固定底座(6)伸入柔性密封套(3)的空腔内，气泵(10)以大气或充入惰性气体的气罐（13）作为气源；
所述反馈电路包括检测模块和反馈模块；所述检测模块包括应变传感器(7)和流速变送器(8)；应变传感器(7)附于柔性密封套(3)上，流速变送器(8)放置在流域上游；所述反馈模块接收检测模块的输出信号并接入电磁阀(11)和气泵(10)的电路中。
5.根据权利要求4所述的可调摆动频率的绕流装置的方法，其特征在于：
所述绕流部件(1)在绕流运动中在涡旋的脱落的影响下会左右摆动，绕流部件(1)的摆动频率随所述半柔性支撑件的固有频率改变而改变；改变柔性密封套(3)空腔内的气压，可改变所述半柔性支撑件的固有频率，从而改变所述绕流部件(1)的摆动频率；
当绕流部件(1)在绕流运动中由于涡旋的脱落发生左右摆动，所述应变传感器(7)检测出柔性密封套(3)的应变并通过算法输出摆动频率：所述流速变送器(8)检测并输出来流流速；
所述反馈模块为：控制所述电磁阀(11)及气泵(10)电压输入的控制电路，通过对电磁阀(11)和气泵(10)电路通路和断路的控制，使柔性密封套(3)从大气或所述气罐(13)中抽气，或向大气中排气，从而改变所述柔性密封套(3)内腔气压，从而调节所述绕流部件(1)的摆动频率；
反馈模块接受检测模块传来的信号后，调节电磁阀(11)及气泵(10)的通路或断路，将摆动频率调整至输入流速所对应的共振区，使所述绕流部件(1)的摆动频率与脱涡频率达到共振；
系统达到共振后，检测模块持续监控来流流速和摆动频率，调动反馈模块维持摆动频率在共振区间浮动。
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